Additiv beflügelt die Leistungsfähigkeit von Lithiumionen-Akkumulatoren

05.04.2004

Elektromotoren werden die umweltfreundliche Fahrzeug-Generation von morgen antreiben. Ob der Strom direkt aus der Steckdose "getankt" oder an Bord durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, Herzstück eines solchen Antriebssystems wird ein hochleistungsfähiger Akku sein, der den Strom effizient speichert, wieder abgibt und auch beim Beschleunigen extreme Spitzen im Energiebedarf sofort sättigen kann. Der Akku muss unzählige Male ohne Einbußen entladen und wieder aufgeladen werden können. Dabei soll er natürlich möglichst klein und leichtgewichtig sein. Japanische Chemiker haben nun eine Methode entwickelt, wie die Leistungsfähigkeit von Lithiumionen-Akkus durch Zugabe eines Additivs gesteigert werden kann. Akkus auf Lithium-Basis sind die Spitzenreiter in Sachen Energiedichte, d.h. sie speichern besonders viel Energie auf kleinem Raum. Konventionelle Lithium-Akkus leiden allerdings unter einem Problem: Die enthaltene Elektrolyt-Lösung ist empfindlich, macht die Herstellung teuer - und sie kann den Akku in Extremfällen bei Überlastung oder Kurzschluss sogar zur Explosion bringen. Die Alternative ist ein Festelektrolyt, ein Polymer, in dessen Netzwerk das Elektrolytsalz eingebunden ist. Nachteil dieser festen Elektrolyte ist ihre vergleichweise geringe ionische Leitfähigkeit. Das Team um Masataka Wakihara hat es nun mit einem einfachen aber wirkungsvollen Dreh geschafft, die Ladungsübertragung zwischen Elektrolyt und Elektrode zu beschleunigen. Und das geht so: Positiv geladene Lithiumionen aus dem Elektrolyten müssen sich an der Elektrode abscheiden und dabei ihre positive Ladung abgeben, damit Strom fließt. Wie schnell das geht, hängt davon ab, wieviele freie Lithiumionen im Fest-Elektrolyt herumschwirren. Nur ein bestimmter Anteil der Lithiumionen liegt ungebunden vor, der Rest ist an seinen negativ geladenen Counterpart, das Anion des Lithiumsalzes, gebunden. Um den Anteil freier Lithiumionen zu erhöhen, galt es, sie von ihren Anionen zu befreien. Deren Ladung, die so anziehend auf die Lithiumionen wirkt, muss dazu auf andere Weise "beschäftigt" werden - ohne die elektrochemischen Prozesse im Akku zu stören. Die Wahl fiel auf einen polymeren Borsäureester. Borsäureester haben eine Art "Lücke" in ihrem Elektronensystem, die sich die "überschüssigen" Elektronen der Anionen gerne mal "ausleiht". So bilden sich lockere Addukte zwischen den Anionen und dem Borsäureester. In einem Modellsystem erwies sich der Borsäureester als vielversprechendes Additiv für Festelektrolyte, das auch die Leistungsfähigkeit von großen Lithium-Akkus mit hoher Energiedichte gut auf Trab bringen könnte.

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